基于均匀形核的金属液滴凝固过程

研究了均匀形核的金属液滴凝固过程,应用渐近分析法求得金属液滴内晶核生长数学模型的渐近解,分析了表面张力、界面动力学参数、初始晶核尺寸和过冷度对晶核界面生长速度、晶核半径以及液滴凝固时间的影响.在一定的过冷条件下,表面张力和界面动力学参数显著减缓了晶核界面生长速度.在凝固开始的很短时间内晶核界面生长速度迅速上升,当速度上升到最大值后,随着晶核半径的增大,界面生长速度逐渐减慢,表面张力和界面动力学参数对晶核生长速度的作用也逐渐减小.过冷度越大,液滴凝固时间越短.经过在开始的瞬变凝固阶段之后,温度场从设定的初始分布迅速地调整为由过冷度、表面张力、界面动力学参数等所确定的特定温度分布.     

基于均匀形核的金属液滴凝固过程

研究了均匀形核的金属液滴凝固过程,应用渐近分析法求得金属液滴内晶核生长数学模型的渐近解,分析了表面张力、界面动力学参数、初始晶核尺寸和过冷度对晶核界面生长速度、晶核半径以及液滴凝固时间的影响。在一定的过冷条件下,表面张力和界面动力学参数显著减缓了晶核界面生长速度。在凝固开始的很短时间内晶核界面生长速度迅速上升,当速度上升到最大值后,随着晶核半径的增大,界面生长速度逐渐减慢,表面张力和界面动力学参数对晶核生长速度的作用也逐渐减小。过冷度越大,液滴凝固时间越短。经过在开始的瞬变凝固阶段之后,温度场从设定的初始分布迅速地调整为由过冷度、表面张力、界面动力学参数等所确定的特定温度分布。     

高频调幅交变电磁场金属液滴悬浮振荡的 3 维数值模拟

采用有限元方法模拟高频调幅交变电磁场以及液滴内流体流动, 金属液滴自由界面的追踪采用任意拉格朗日欧拉(arbitrary Lagrange-Euler, ALE)方法. 数值模拟得到了高频调幅交变电磁场、金属液滴内部液体流动和液滴表面形变的动态行为. 数值结果表明: 在高频调幅交变电磁场中, 金属液滴所受洛伦兹力集中在液滴内部近表面区域, 液滴受近似表面力的洛伦兹力激励; 在表面张力和重力的共同作用下呈周期性振荡, 液滴的振荡幅度起伏变化, 具备参数振荡特征. 对液滴振荡的频谱分析结果显示, 液滴振荡的主频和高频调幅交变电磁场的调制波频率相同, 在其倍频处也会出现较大峰值, 液滴振荡的频谱特征与高频调幅交变电磁场中金属液滴所受洛伦兹力的频率特性吻合.     

荷电液滴吸附颗粒物过程的试验

液滴荷电可增强其对颗粒物的吸附能力,有效提高其除尘效率.建立了荷电单液滴吸附颗粒物的试验系统,采用高速摄像技术结合显微放大图像处理技术对颗粒物的运动特性进行了可视化研究,捕捉了荷电液滴在吸附过程中颗粒物的运动轨迹.通过分析颗粒物在静电力、质量力以及黏性力等作用下的运动特性,发现颗粒物的粒径是影响其运动的主要因素.结果表明:荷电液滴比未荷电液滴更易于吸附颗粒物;颗粒物在到达液滴表面后无法克服液滴的表面张力能,会黏附在液滴表面;部分颗粒物及其微团在飞向荷电液滴的运动过程中会出现奇特的排斥飞散现象;粘黏沉积及排斥飞散现象都会影响荷电液滴捕集颗粒物的效率.     

真空断路器分断金属液桥形成的数值模拟

为研究高压真空断路器触点分断电弧的产生机理,考虑触点表面微观形貌,建立真空环境下铜触点电接触的几何模型和数学模型。数值模拟真空断路器分断时金属液桥的形成过程,其中金属液桥的熔化电压与铜材料的熔化电压近似相等,证明建立仿真模型的正确性。得出金属液桥形成中的温度分布及熔化相变体积变化;探究触点初始分断电流、表面粗糙高度及初始接触压力对金属液桥形成的影响。数值计算结果表明:金属液桥的电势差由电接触位置向电极两边逐渐减小;模型最高温度出现在电接触位置;金属液桥的形变受热膨胀力与表面张力共同作用,随着熔化相变体积的增大,影响金属液桥形变的主导因素从热膨胀力逐渐过渡为表面张力,因此其形状由最初的圆柱形变为哑铃型;金属液桥熔化所需时间随触点初始分断电流和触点表面粗糙高度的增大而减小,随触点初始接触压力的增大而增大。为进一步研究真空金属蒸气电弧的形成机理及提高断路器的可靠性和寿命提供理论支持。     

冲击作用下液滴在环境液体中的演变过程及主导因素

采用实验与计算流体力学(CFD)相结合的方法对冲击作用下液滴在环境液体中的演变过程进行了研究,重点针对液膜破碎之前液滴的4种典型演变模式所伴随的流场细节进行了较为深入的探讨.结果表明,液滴演变过程与涡强度有较强关联:涡强度越大,液滴演变模式越剧烈,演变过程中出现环状射流持续翻转现象;反之,演变过程中无环状射流生成甚至出现液滴变形回复现象.进一步对液滴内部环状射流的生成与发展机理进行研究发现,涡的演变与界面约束之间存在一种竞争机制:涡的演变促进界面的进一步变形,而界面约束起着相反的抑制作用.这一竞争机制通过有无界面张力条件下液滴变形的CFD结果得到了进一步揭示.     

声悬浮液滴扇谐振荡的数字图像分析与表面张力测定

通过对悬浮声压进行调制,可以激发声悬浮液滴的非轴对称大幅振荡.由于自由液滴的振荡具有高速变化和不可接触的特点,传统的测量方法难以对其进行定量测定.采用高速摄像记录液滴的振荡过程,通过数字图像分析确定了其振荡模态为扇谐振荡,测定了其振荡频率、旋转速率和衰减系数.结果表明,液滴的振荡频率随赤道半径的增大而减小,可通过修正的Rayleigh方程来描述.在液滴振荡过程中,其旋转速率小于1.5r/s.在关闭对悬浮声压的调制后,液滴的振幅发生指数衰减,其衰减系数与Lamb的计算结果基本一致.以乙醇溶液为例,利用声悬浮液滴的扇谐振荡频率,对液滴表面张力进行非接触式测定,结果证实了这一方法的可行性.     

悬滴与卧滴合并行为特性

基于VOF(volume of fluid)方法,建立了重力条件下悬滴与卧滴在空气中合并过程的理论模型,并进行数值模拟,研究了悬滴与卧滴的合并流型,并分析了不同Bond数下悬滴与卧滴的合并动力学行为.结果表明,悬滴与卧滴接触后,液滴间形成的液桥在表面张力的作用下快速扩展,在液桥与针头间出现颈缩现象;悬滴与卧滴合并过程存在"合并无断裂"和"合并后断裂"2种合并流型,当Bond数约为0.05时,合并流型由无断裂向断裂转变.随着Bond数增大,液滴合并后断裂的无量纲时间随之减小,当Bond数大于0.18,液滴合并后断裂的无量纲时间逐渐趋向定值.     

高频调幅交变电磁场中金属液滴悬浮振荡特性的数值模拟分析

根据高频调幅交变电磁场中金属液滴悬浮振荡的实验结果,构建了二维数值计算模型,采用任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrangian-Eulerian,ALE)方法数值模拟了液滴自由表面的振荡.模拟结果获得了高频调幅电磁场中悬浮振荡液滴的内部磁场、流场和自由表面形状.对液滴自由表面特征点的位移随时间的变化过程进行了傅里叶分析,获得了液滴在不同调制频率的交变电磁场中振荡的频谱,发现了高频调幅电磁场中金属液滴悬浮振荡的频谱特性.数值结果与实验和理论分析结果定性吻合.     

欧拉网格中基于VOF方法的表面张力项处理方法

为了考察表面张力对液滴破碎的抑制作用,采用Brackbill的CSF模型,研究基于VOF界面处理方法的表面张力项离散模式.将其用于欧拉网格中,模拟了激波和拉伸流场中液滴变形与破碎过程.算例结果表明,Bussmann模型能够很好地解决VOF函数的表面张力离散问题.     

单液滴在射流场中的形变及破碎实验研究

在射流场中对自由上升单液滴的形变和破碎过程进行了研究。采用高速摄像技术拍摄记录液滴的初始形状、上升速度、进入射流场后的形变破碎等现象，运用粒子图像测速(PIV)技术研究了射流场的流场情况。通过改变液滴初始粒径大小、入射位置、射流速度等参数考察了在不同射流速度下液滴在流场中的形变破碎过程。结果表明，液滴在进入射流场后会发生3个尺度的形变过程，随后会发生从生成子液滴数为两个至多个不等的二元破碎至多元破碎现象；液滴一次破碎位置随流场剪切力而变化，主体破碎区域为射流场的中间部分；液滴在射流场中生成的子液滴数量会随入射流量、入射位置和母液滴粒径的改变发生变化。     

估算液体金属表面张力的简易方法

介绍了表面张力及其测量原理．通过对不同金属表面张力值的比较，并分析它们在元素周期表中的排列位置，一个简易的计算液体金属表面张力的经验公式被导出．只要知道金属的熔点及密度，就可方便地估算出各种金属及合金的表面张力．     

镀锌Q&P980钢电阻点焊接头液态金属脆裂纹的形态及分布

当某些固态金属或合金与特定的液态金属或合金直接接触时,在拉伸应力的作用下会出现强度与延伸率下降,以致提前失效的现象,这种现象被称为液态金属脆化.铁与液态锌接触时会出现液态金属脆化.对新一代高强热镀锌QP980钢板进行电阻点焊试验之后,在焊接接头表面发现了裂纹,裂纹内充满了锌金属,认为该裂纹的出现是由于点焊过程中镀锌层熔化,在应力的作用下使钢出现了液态金属脆化现象.液态金属脆化裂纹主要分布在电极压痕区的台阶及外周,且具有不同的深度及形态.     

动态喷墨液滴两相流模拟（英文）

采用数值模拟方法研究了在平坦固体表面润湿时喷墨液滴的产生过程,以确定出发生液滴的关键.在考虑了表面张力和壁粘连的基础上,利用两相流之流体体积方法(VOF)建立了一个计算流体动力学模型来模拟湿平坦的固体表面上液滴过程.结果表明:基于VOF模型能够模拟润湿固体表面上液滴产生的动态,能够反映动态液滴与润湿固体表面间的相互作用和主要特征.这一模拟提高了对流体流动的认识,可以为一个特定的喷墨应用预测优化设计.     

液滴撞击固体表面过程的实验研究

对液滴撞击固体表面的过程进行实验研究,考察液滴的物性和操作条件对撞击过程的影响,结果表明：随着液滴黏度的增加、或表面张力系数的增大、或撞击速度的减小,液滴的铺展直径、铺展速度和铺展面积均减小;液滴的能量在黏性中的耗散主要发生在撞击的初始阶段,随着液滴黏度的增加、或表面张力系数的减小、或撞击速度的增大,黏性耗散的速率均增加。本文得到的关于液滴雷诺数和韦伯数的关联式可用于预测液滴的最大铺展直径和最大铺展面积。     

脂肪酸酯类表面张力的模型研究

生物柴油具有良好的可再生能力、可降解性和环境友好性,其在发动机缸内的喷雾燃烧过程是生物柴油应用的关键步骤,雾化过程中形成液滴的大小与表面张力密切相关.因此,表面张力是生物柴油应用前景的关键参数,脂肪酸酯是生物柴油的主要成分.本研究通过查阅大量国内外文献,分析整理了19种脂肪酸酯的表面张力实验数据.采用密度梯度理论和Peng-Robinson(PR)状态方程结合,提出表面张力的估算模型,该模型的提出将为生物柴油表面张力的预测提供理论依据.     

人工神经网络预测纯金属的表面张力

建立了以纯金属原子半径、熔点、沸点和原子化焓预测表面张力的人工神经网络模型。训练后的神经网络能较好的拟合实验数据。对４０种金属的表面张力进行回想和预测结果与实验值的偏差在可接受范围内，表明人工神经网络在纯金属表面张力预测方面有一定的前景。     

液滴撞击不同粗糙度固体表面动力学行为实验研究

针对液滴撞击固体表面时动力学行为的不同影响因素,利用高速摄像技术捕捉了4种物性不同的液滴,即癸烷、十四烷、蒸馏水和无水乙醇液滴撞击不同粗糙度固体表面后的铺展与飞溅形态。探究了黏度、表面张力与实验壁面粗糙度对液滴撞击壁面后的最大铺展因数和铺展-飞溅临界韦伯数的影响。结果表明:实验流体的动力黏度越大,液滴在铺展过程中受到的阻力越大,也就越不容易铺展,相同韦伯数下的最大铺展因数越小;表面张力越大,液滴碰壁后更有可能发生回缩。在实验过程中也观察到,只有表面张力明显大于其他工质的蒸馏水液滴在碰壁后发生了回缩。壁面越粗糙,液滴在铺展过程中需要润湿越大面积的壁面,增加了黏性耗散,且受到的阻力也更大,相同韦伯数的液滴碰壁后的最大铺展因数也越小。对Laan的公式进行了粗糙度的补充,得到了最大铺展因数与韦伯数、雷诺数及粗糙度的关系。壁面粗糙度对液滴铺展后的边缘造成扰动,使液滴更容易发生飞溅,铺展-飞溅的临界韦伯数随着壁面粗糙度的增加而减小,且壁面粗糙度对小奥内佐格数流体的临界韦伯数影响更大。     

同轴共聚结构微流控芯片中HMX液滴生成的理论模拟与实验验证

微流控技术可为球形炸药颗粒的制备提供新的方法,但球形液滴的形成过程尚待深入研究。以奥克托今(HMX)为研究对象,基于COMSOL Multiphysics 5.5的两相流模块建立HMX球形液滴生成模型,采用数值模拟方法分别模拟出入口流速、接触角等因素对HMX液滴生成过程、大小以及生成时间的影响。结果表明：出入口流速的变化不仅影响生成液滴的大小还影响液滴的生成速率;接触角的变化主要影响生成液滴的大小。通过配置相应的高速摄影系统观察微流控芯片中HMX液滴的生成过程,发现理论模拟结果与实验结果的规律吻合较好,表明建模方法可以很好地反映实验过程。HMX液滴形成过程的模拟研究结果可为球形炸药的制备提供理论支撑。     

流体物性对新型并联微通道器内乳化的影响

文中研究了两相流在一种新型并联微通道器内制备单分散性乳液的影响因素.分别以不同物性的油(纯油、质量分数为0.3%的span83、质量分数为0.4%的span83)作为连续相、水作为分散相在微通道内乳化,研究和讨论了流速比、表面张力、毛细管数(Ca)对乳液多分散性和液滴浓度的影响.数值模拟和实验结果表明:16个Y型树枝状并联微通道器不仅可以提供完美的流量分布,而且能够制备优质的单分散性乳液(多分散度Pw≤5.8%),并且其能量消耗率低于35 J/kg;毛细管数对微通道乳化工程有着显著的影响,当Ca≤0.01时,生成的乳液具有更好的单分散性;随着两相流表面张力的升高,乳液单分散性越来越好,但乳液液滴浓度会相应地减小.当表面张力为27.6 m N/m时,水-纯油乳液的Pw为3.0%~5.8%,而水-0.3%span83乳液体系的多分散性值仅为其值的1/2.